JP2020136065A - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】平面配列型の燃料電池において、構造の簡略化を図ることができる燃料電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面側に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第１触媒層１６と、電解質膜１２の他方の面側に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第２触媒層１６と、を有する複数の単位セルＬを備える。互いに隣接する単位セルＬの電解質膜１２は連続しており且つ１つの電解質膜１２で構成され、電解質膜１２は、単位セルＬの第１触媒層１６と、単位セルＬに隣接する他の単位セルＬの第２触媒層１６と、を電気的に接続するインターコネクト部３０と、インターコネクト部３０に隣接する電解質膜１２の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域２１０と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、単位セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池及びその製造方法に関する。

燃料電池は、水素と酸素とから電力を得る装置である。発電に伴い水が生成するのみであるためクリーンな電力源として近年注目されている。このような燃料電池の単位セルの電圧は０．６〜０．８Ｖ程度と低いため、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）とセパレータよりなる単位セルを複数積層して直列に接続し高出力を得る燃料電池スタックが実用化されている。この燃料電池スタックは、積層するに当たり作業工程が多いため手間がかかるという問題がある。

一方、１枚の電解質膜に平面状に複数の単位セルを形成するとともに、隣接する単位セル同士を接続するためのインターコネクタ部を形成し、複数の単位セルを直列に接続した燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような構成では１枚の電解質膜で高電圧化することができ、単位セルを積層する作業の撤廃又は削減が可能といったメリットがある。

しかしながら、特許文献１に記載のような燃料電池においては、インターコネクタ部は、電解質膜の一部に空隙部を形成し、その空隙部にアノード触媒層用材料又はカソード触媒層用材料を充填して形成される。このような構成では、インターコネクタ部を形成するに当たり、いくつかの工程を経る必要があり時間と手間がかかるという問題がある。

そこで、本願発明者らは特許文献２に記載された発明を開発し、インターコネクト部を従来よりも容易に設けられるようにした。また、特許文献２の発明では、インターコネクト部での発熱を抑制又は防止するために、インターコネクト部の第１触媒層をレーザーや刃などで除去することも提案している。

特開２０１１−２０４６０９号公報 国際公開第２０１７／０４７３４３号

特許文献２の発明のようにインターコネクト部の第１触媒層をレーザーなどで除去すると、第１ガス拡散層と保護層又は電解質膜との間に隙間が発生する虞があり、隙間が形成されていると電気抵抗が増加してしまう。

このため、隙間が形成されないようにインターコネクト部の第１ガス拡散層を電解質膜側に押し付ける構造を採用する必要があり、燃料電池の構造又は製造の簡略化の点で更なる改善の余地があることが分かった。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、平面配列型の燃料電池において、構造の簡略化を図ることができる燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

［１］上記目的を達成するため、本発明は、
プロトン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面側に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第１触媒層（例えば、実施形態の上側の触媒層１６）と、
前記電解質膜の他方の面側に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第２触媒層（例えば、実施形態の下側の触媒層１６）と、
を有する複数の単位セルを備えた燃料電池であって、
互いに隣接する前記単位セルの前記電解質膜は連続しており且つ１つの前記電解質膜で構成され、
前記電解質膜は、
前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する他の前記単位セルの前記第２触媒層と、を電気的に接続するインターコネクト部と、
前記インターコネクト部に隣接する前記電解質膜の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域と、
を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、電解質膜には、インターコネクト部の縁の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域が設けられているため、ガス拡散層と電解質膜との間に隙間を発生させることなく、インターコネクト部の発熱を抑制させることができる。従って、隙間が生じないため、インターコネクト部のガス拡散層を電解質膜側へ押圧する押圧力を低く抑えることができ、燃料電池の構造の簡略化を図ることができる。

［２］また、本発明においては、
前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記単位セルの前記第２触媒層とが、前記電解質膜を挟んで重なり合う「重なり領域」を備え、
前記失活領域は、少なくとも前記重なり領域の全体に形成することができる。

かかる構成によれば、より適切にインターコネクト部での発熱を抑制することができる。

［３］また、本発明においては、
前記失活領域は、
前記重なり領域に加えて、
前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記第２触媒層とが、前記電解質膜を挟んで重なり合っていない領域であって、
前記単位セル自身の前記第２触媒層から前記電解質膜が露出した領域に設けられ、
且つ、同一の前記単位セル内における前記第１触媒層と前記第２触媒層との間には設けないように構成することができる。

かかる構成によれば、インターコネクト部分を失活領域でしっかりと覆うことができると共に、失活領域を単位セル自身の第２触媒層から電解質膜が露出した領域に設けることができるため、前記露出した領域において、失活領域の形成においてある程度の誤差を許容することができ、製造が容易となる。

［４］また、本発明の燃料電池の製造方法は、
プロトン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第１触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第２触媒層と、
を有する複数の単位セルを備えた燃料電池の製造方法であって、
互いに隣接する前記単位セルの前記電解質膜は連続しており且つ１つの前記電解質膜で構成され、
前記電解質膜は、
前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記単位セルの前記第２触媒層と、を電気的に接続するインターコネクト部と、
前記インターコネクト部に隣接する前記電解質膜の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域と、
を備え、
前記燃料電池の製造方法は、
前記電解質膜に、プロトン伝導性を失活させた失活領域を形成する失活工程と、
前記失活領域に前記インターコネクト部を形成するＩＣ形成工程と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電解質膜には、インターコネクト部の縁の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域が設けることができ、ガス拡散層と電解質膜との間に隙間を発生させることなく、インターコネクト部の発熱を抑制させることができる燃料電池を製造することができる。従って、従来のように隙間が生じないため、インターコネクト部のガス拡散層を電解質膜側へ押圧する押圧力を低く抑えることができ、構造の簡略化を図ることができる燃料電池を製造することができる。

［５］また、本発明の燃料電池の製造方法においては、
前記電解質膜は、スルホン酸基含有の炭化水素系膜からなり、
前記失活工程は、前記失活領域に加えて前記インターコネクト部を形成する予定のＩＣ形成予定領域を第１所定温度（例えば、実施形態の４００℃。以下同一。）で加熱処理してスルホン酸基を除去することで失活させて前記失活領域を形成し、
前記ＩＣ形成工程は、前記ＩＣ形成予定領域を前記第１所定温度よりも高温の第２所定温度（例えば、実施形態の９００℃。以下同一。）で前記電解質膜を炭化改質して前記インターコネクト部を形成するように構成することができる。

本発明によれば、インターコネクト部を形成するときの第２所定温度よりも低温の第１所定温度で失活領域のみならずインターコネクト部を形成する予定のＩＣ形成予定領域も過熱するため、ＩＣ形成予定領域の温度が第１所定温度から第２所定温度へと段階的に上昇して、比較的緩やかに温度が上昇することとなり、適切なインターコネクト部を形成することができる。従って、インターコネクト部と失活領域とを分けて形成する場合に比較して、失活領域とＩＣ形成予定領域の予備過熱とを同時に行うことができ、製造工程の簡略化を図ることができる。

本発明を適用した実施形態の燃料電池を示す模式的断面図である。 本実施形態の燃料電池の要部を拡大して示す模式的断面図である。 芳香族系高分子を加熱する前のＦＴ−ＩＲスペクトルを示す図である。 芳香族系高分子を加熱した後のＦＴ−ＩＲスペクトルを示す図である。 芳香族系高分子の加熱前後におけるラマンスペクトルを示す図である。 水素イオン透過量を測定するために用いた実験装置を模式的に示す説明図。 焼成温度と水素イオン透過量との関係を示す説明図。 本実施形態のインターコネクト部及び失活領域を形成するレーザー装置を模式的に示す説明図。 インターコネクト部を形成するときの理想的な温度変化を示すグラフ。

以下、図面を参照しながら、本発明に実施の形態についてさらに詳しく説明する。

＜燃料電池＞
図１は、本発明を適用した燃料電池の一実施形態を示す模式断面図であり、図２は図１の要部を拡大して示す図であり、上側がアノード、下側がカソードである。図１、図２に示す燃料電池１０の膜・電極接合体（ＭＥＡ）１１は、電解質膜１２の両面側に、ガス拡散層１８を備え、下側には電極層として触媒層１６が、上側には電極層として触媒層１６と電解質膜１２に接する保護層１４が設けられている。すなわち、本実施形態では上側の電極層は触媒層１６と保護層１４の２層で構成されている。さらに、上側のガス拡散層１８の上方には上板２０が設けられ、下側のガス拡散層の下方には下板２２が設けられている。なお、図１においては、中央に位置する積層構造を省略した状態の燃料電池１０を描いている。

上板２０・下板２２それぞれのガス拡散層１８側の面には水素ガス・酸素含有ガス（空気）のための流路溝（図中の凹部分）が設けられている。電解質膜１２の上面（アノード側）の周縁部と上板２０との間にはシール２４が設けられる。シール２４は電解質膜１２と上板２０とに当接し、上板２０と電解質膜１２と間の空間を密封する。なお上板２０には、図示しない水素供給手段から供給される水素を、上板２０と電解質膜１２との間に導入する、図示しない水素導入口が設けられている。一方、電解質膜１２の下面（カソード側）は上面のように密封されることなく、周囲の空気から酸素を取り入れる構造となっている。

また、電解質膜１２の下面（カソード側）では、ＭＥＡ１１の両端部（図１中左端及び右端）下面のガス拡散層１８と下板２２との間には黒鉛シート２６が配され、黒鉛シート２６はガス拡散層１８に当接するよう構成される。それぞれの黒鉛シート２６には導線２８が接続され、燃料電池１０にて生じた電力は導線２８を通じて外部に取り出されることになる。なお、電解質膜１２と、保護層１４、触媒層１６、及びガス拡散層１８は、上板２０と下板２２とにより挟持されている。

電解質膜１２の上面側の保護層１４、触媒層１６、及びガス拡散層１８、並び電解質膜１２の下面側の触媒層１６、及びガス拡散層１８は分割溝１７により分割され、複数の領域（以下、「電極領域」と呼ぶ。）が形成されている。これら電極領域は、分割溝１７の延伸方向を長辺、２つの分割溝間を短辺とする長方形状である。また、電解質膜１２の上面側における電極領域は、下面側の電極領域と対向するように配置されている。

ＭＥＡ１１において、電解質膜１２の上面側の一つの電極領域と、この電極領域の一部に対向する下面側における電極領域と、それらの電極領域の間に位置する電解質膜１２とを含む積層構造により単位セル（発電セル）が構成されている。つまり、図１中、電解質膜１２と、電解質膜１２の上面側の保護層１４、触媒層１６、及びガス拡散層１８、並びに下面側の触媒層１６、及びガス拡散層１８からなる積層構造が単位セルである。図１において最も左に位置する単位セルのみを破線Ｌで示す。

電解質膜１２の内部には、一つの単位セルの上面側における電極領域と、前記一つの単位セルの隣の単位セルの下面側の電極領域とを電気的に接続するインターコネクト部３０を有する。インターコネクト部３０により、隣接する単位セル同士が電気的に直列接続される。

図１、図２において、各電極領域の幅（２つの分割溝１７の間の長さ。図２の第２領域Ｙ。）は、例えば、約５ｍｍとすることができ、インターコネクト部３０の幅は約０．１ｍｍとすることができ、分割溝１７の幅は０．２ｍｍとすることができる。

インターコネクト部３０に隣接する電解質膜１２の部分には、プロトン伝導性を失活させた失活領域２１０が設けられている。この失活領域２１０は、電解質膜１２にレーザー光を照射して４００℃で加熱することにより、形成される。

以上の構成において、アノード側に水素ガスが供給され、カソード側に酸素含有ガス（空気）が供給されることで各単位セルにおいて発電され、２つの黒鉛シート２６に接続した導線２８を通じて電力を取り出すことができる。そして、各単位セルは直列接続されているため、各単位セルの電圧の和が燃料電池１０の電圧となる。

本実施形態の燃料電池１０の構成要素について、以下に詳述する。

［電解質膜］
本発明の燃料電池における電解質膜に特に限定はなく、種々の電解質膜を採用することができる。そして、上記の通り、電解質膜内に、隣接する単位セル同士を電気的に直列接続するインターコネクト部を備える。インターコネクト部は、後述するように、電解質膜に局所的に熱をかけて炭化することで形成される。

電解質膜のプロトン伝導性樹脂としては、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類などの炭化水素系ポリマーにスルホン酸基を導入した芳香族系高分子化合物が好ましい。ナフィオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸樹脂に比べ、炭化によるインターコネクト部の形成が容易にできるからである。理由は定かではないが、芳香族系高分子は分子構造中に炭素の６員環構造を含むため熱分解により黒鉛化しやすいものと考えられる。このような芳香族系高分子は例えば、約９００℃以上で加熱することにより導電性をもつ炭化物に変化する。

［触媒層］
触媒層は、例えば、触媒金属を担持した炭素粒子（触媒粒子）を含んで構成される。炭素粒子としては、カーボンブラックを用いることができるが、この他にも、例えば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバーやカーボンナノチューブ等の炭素化合物を採用することができる。一方、触媒金属としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属を単独で又は２種以上組み合わせて使用することができる。

触媒層は前記触媒粒子の他、プロトン伝導樹脂を含む。触媒層は水素ガスや酸素含有ガスとの接触面積が大きくなるよう多孔性の構造をとる。そのため、プロトン伝導樹脂の充填密度は後述の保護層よりも小さく設定される。例えば、触媒層に対するプロトン伝導樹脂は３０〜５０ｗｔ％とすることができる。

平面配列型の燃料電池１０は、インターコネクト部３０の近傍の一方の面の分割溝（例えば上側の分割溝１７）と他方の面の分割溝（例えば、下側の分割溝１７）に挟まれた領域（第２領域Ｙ。図２中、上側の分割溝１７と下側の分割溝１７に挟まれた領域。）が正味の電力に寄与しないデッドエリアになるが、そのような領域においても触媒と水素あるいは酸素との電気化学反応が生じうる。ところが、インターコネクト部３０により電解質膜１２の両面側の電極層が電気的に接続されているため、生じた電気エネルギーは熱に変化する。すると、燃料電池に過度の発熱を生じさせ、燃料電池の性能が低下する虞がある。

そこで、インターコネクト部３０に隣接する電解質膜１２の部分に、レーザー光を照射して４００℃で加熱して失活領域２１０を形成する。失活領域２１０により、プロトン伝導性が抑制され、デッドスペースにおける両触媒層１６の間での反応が生じ難く、もって発熱を抑制することができる。

以下、本実施形態の燃料電池の発電を開始した後の、インターコネクト部近傍の一方の面の分割溝と他方の面の分割溝に挟まれた領域である“デッドスペース”における温度変化を表１に示す。なお表中、燃料電池Ｉは比較例として前記デッドスペースにおいて失活領域２１０が設けられていないものであり、燃料電池IIは本実施形態と同様に前記デッドスペースにおいて失活領域２１０が設けられているものである。

上記表より、触媒層に重なりがある燃料電池Ｉは発電開始後から発熱し温度が上昇する。すなわち、無駄な電気化学反応が生じてしまっている。さらに燃料電池のカソード側が開放されたものであると、この発熱により電解質膜が乾燥してしまい、発電性能が低下する虞がある。一方、触媒層が重なってない燃料電池IIは温度上昇が見られないことが分かる。すなわち、上記の無駄な電気化学反応が抑制され、かつ電解質膜の乾燥も抑制されていることがわかる。

［保護層］
電解質膜、又は電解質膜内のインターコネクト部若しくはその近傍において、ガスがリークするいわゆるクロスリークを防止するために、電解質膜の一方の面側又は両面側に保護層を設けることが好ましい。図１においては、電解質膜１２の上面側に保護層を設けている。

保護層は、クロスリークを防止できるのであればその形態について問わないが、ガスバリア性を備えつつ、さらに電気伝導性及びプロトン伝導性を備えた保護層が好ましい。

上記保護層の一形態として、プロトン伝導性樹脂と導電性カーボン（炭素）とから形成することができる。ガスバリア性を高めるため、プロトン伝導性樹脂の充填密度は、触媒層のプロトン伝導性樹脂の充填密度よりも高く設定される。例えば、保護層におけるプロトン伝導性樹脂は７０ｗｔ％以上とすることができる。なお、プロトン伝導性樹脂は触媒層と同じ材料であっても異なる材料であってもよい。

プロトン伝導性樹脂としては、ナフィオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸樹脂や前述の芳香族系高分子化合物を用いることができる。

導電性カーボンとしては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどが挙げられる。

上記のような保護層は、例えば、ナフィオン（登録商標）などのプロトン伝導性樹脂の分散液にケッチェンブラック等の導電性カーボンを添加して調製した塗布液を塗布・乾燥することで形成することができる。なお、保護層の厚みとしては、例えば５〜５０μｍとすることができる。

［ガス拡散層］
ガス拡散層１８は、基材と、多孔質層とが積層されて構成される。基材は、カーボンペーパーやカーボンクロスを用いることができる。

［上板、下板］
上板２０及び下板２２は、前述のようにガス拡散層１８側にガスのための流路溝（凹部分）を備える。ＭＥＡ１１の単セル同士はインターコネクト部３０を通して直列に接続されるので、上板２０及び下板２２は絶縁性の樹脂で形成することが好ましい。当該汎用樹脂としては、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）等を挙げることができる。

＜燃料電池の製造方法＞
本実施形態の燃料電池は、以下に説明する本発明の実施形態の製造方法により製造することができる。

まず、ガス拡散層１８の素材となるカーボンペーパーを準備する。このカーボンペーパーの一面に対し触媒層１６を形成すべく、触媒とプロトン伝導性樹脂を含むインクを塗工する。さらに、触媒層１６の上に保護層１４を形成する場合は、形成した前記触媒層１６の上に導電材（ケッチェンブラックなど）とプロトン伝導性樹脂を含むインクを塗工する。

このように作成したガス拡散層１８と電極層１６、１４の積層体（以下、「拡散電極積層体」という。）について、電極領域間の分割溝１７を形成する。分割溝１７の形成は、針状の刃具を用いて機械的に当該部分のガス拡散層１８・電極層１６，１４を除去する方法やレーザー光を照射し当該部分を蒸発させる方法により行うことができる。

上記のように分割溝１７を形成した前記拡散電極積層体の上に電解質膜１２を載置する。そして、電解質膜１２のインターコネクト部３０を形成しようとする箇所に対して局所的に熱をかける。その手段としては、レーザー光照射を挙げることができる。使用するレーザー光源としては、例えば、ＣＯ２レーザーを挙げることができる。
図９は、インターコネクト部３０をレーザー光を照射して形成する場合における理想的な温度変化を示したものである。インターコネクト部３０を形成するときには始めは緩やかに温度を上昇させ、ある程度インターコネクト部３０を形成する予定の部分の温度が上昇した後に急速に温度を上昇させてインターコネクト部３０を形成することが好ましい。

かかる製法によれば、電解質膜１２を破損することなく適切なインターコネクト部３０を形成することができる。

また、本実施形態においては、インターコネクト部３０に隣接させて電解質膜１２に失活領域２１０を形成する。そして、失活領域２１０の形成するための加熱温度は４００℃（本実施形態の第１所定温度）であり、インターコネクト部３０を形成するための加熱温度の９００℃（本実施形態の第２所定温度）の半分以下であるため、失活領域２１０を形成すると同時にインターコネクト部３０を形成する予定部分も併せて加熱することで、失活領域２１０とインターコネクト部３０とを別々に製造するよりも製造工程の簡略化を図ることができる。

従って、本実施形態の燃料電池１０の製造方法においては、図８に示すように、同一の基台に、失活領域２１０用の第１レーザー照射ヘッド２０１とインターコネクト部３０用の第２レーザー照射ヘッド２０２を設置して、インターコネクト部３０を形成する予定の部分も含んだ状態で第１レーザー照射ヘッド２０１から第１レーザー光２０１ａを照射して、失活領域２１０を形成した後に、インターコネクト部３０を形成する予定の部分に第２レーザー照射ヘッド２０１から第２レーザー光２０２ｂを照射することで、スムーズにインターコネクト部３０と失活領域２１０とを形成することができる。

上記のようにしてインターコネクト部３０を形成した電解質膜の前記拡散電極積層体とは逆の面側に、さらに他の拡散電極積層体をその電極層１６，１４が電解質膜１２側となるよう載置する。前記他の拡散電極積層体も載置前に分割溝１７が形成されており、該分割溝１７が前記インターコネクト部３０に対し所定の位置となるよう（すなわち、インターコネクト部が当該拡散電極積層体の電極領域で被覆されるよう）、位置あわせして載置される。

このように拡散電極積層体・電解質膜・他の拡散電極積層体を重ねた上で、その積層方向にホットプレスを行うことでこれらを一体化させて、ＭＥＡ１１が製造される。

上記のように、まず触媒層と保護層を積層させ、次いで分割溝を形成する製造方法では、容易に電極領域を形成することができるため、ロール・トゥ・ロールで連続的に製造するのに適している。

ここで、プロトン伝導性樹脂として芳香族系高分子を用いた場合の前記インターコネクト部箇所の前記加熱前と加熱後とにおける、赤外線分光（ＦＴ−ＩＲ）と、ラマン分光の測定結果について示す。図３、図４はそれぞれ加熱前、加熱後のＦＴ−ＩＲスペクトルを示す。加熱前の図３ではプロトン伝導性樹脂中の原子間の結合由来の吸収線が見られるのに対し、加熱後の図４では前記吸収線が消失した。これは加熱によりプロトン伝導樹脂が分解し、炭素質に変化したためと考えられる。

一方、ラマン分光の測定結果では、加熱前にはピークが現れていないものの、加熱後には１３５０ｃｍ^−１付近と１６００ｃｍ^−１付近にピークが出現していることが分かる（図５）。これらは炭素質材料由来のそれぞれＤバンド、Ｇバンドと考えられ、前記加熱により当該箇所が炭素質に変化していると考えられる。
以上のようにプロトン伝導性樹脂を加熱により炭化させることで、当該箇所に対し体積抵抗率が０．１Ω・ｍｍ程度の導電性を容易に付与することができる。

本実施形態の燃料電池１０及びその製造方法によれば、インターコネクト部３０の周辺のプロトン伝導性を抑制させるために、従来のように第１触媒層をレーザーや刃などで除去することなく、インターコネクト部３０に隣接する電解質膜１２の部分に、失活領域２１０が設けられている。

このため、ガス拡散層１８及び触媒層１６と電解質膜１２との間に隙間を発生させることなく、インターコネクト部３０の発熱を抑制させることができる。従って、隙間が生じないため、インターコネクト部３０のガス拡散層１８及び触媒層１６を電解質膜１２側へ押圧する構造を採用する必要がなく、若しくはインターコネクト部３０を炭化させて形成する際に空いた隙間分だけ押圧すればよいため、従来と比べて低い押圧力で済み、燃料電池１０の構造の簡略化を図ることができる。

また、本実施形態の燃料電池１０によれば、保護層１４によって、インターコネクト部３０及びその近傍の電解質膜１２の部分から水素ガスや空気などの漏れを抑制又は防止することができる。

また、本実施形態の燃料電池１０においては、保護層１４と電解質膜１２の上側の触媒層１６である第１触媒層１６とは、隣接する単位セルＬ同士の隣接方向の幅が同一となるように、設定されている。

かかる構成によれば、保護層１４と第１触媒層１６との幅の相違による段差の発生を防止でき、保護層１４と第１触媒層１６との幅の相違に伴う電解質膜１２と第１ガス拡散層１６との間の隙間の発生を防止することができる。

また、本実施形態の燃料電池１０においては、単位セルＬの第１触媒層１６と、単位セルＬに隣接する他の単位セルＬの下側の触媒層１６である第２触媒層１６とが、電解質膜１２を挟んで重なり合う「重なり領域Ｙ」（図２参照）を備えており、電解質膜１２の失活領域２１０は、少なくとも重なり領域Ｙにおける電解質膜１２の部分に形成されている。

かかる構成によれば、失活領域２１０によって更に適切にインターコネクト部３０での発熱を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池１０においては、失活領域２１０は、重なり領域Ｙに加えて、第１触媒層１６と、一の単位セルＬに隣接する他の単位セルＬの第２触媒層１６とが、電解質膜１２を挟んで重なり合っていない領域であって、前記一の単位セルＬ自身の第２触媒層１６から電解質膜１２が露出した領域（図２における第１領域Ｘから第２領域Ｙを除いた残りの部分の領域）に設けられ（換言すれば第１領域Ｙに設けられ）、且つ、同一の単位セルＬ内における第１触媒層１６と第２触媒層１６との間には設けられていない。

かかる構成によれば、インターコネクト部３０を失活領域２１０でしっかりと囲うことができると共に、失活領域２１０を露出した領域（第１領域Ｘから第２領域Ｙを除いた残りの部分の領域）に設けることができるため、前記露出した領域において、失活領域２１０の形成において、ある程度の製造誤差を許容することができ、失活領域２１０の形成、ひいては燃料電池１０自体の製造が容易となる。

なお、本実施形態においては、電解質膜１２を４００℃に加熱して失活領域２１０を形成したものを説明したが、本発明の失活領域の形成方法はこれに限らず、電解質膜１２を失活させてプロトン伝導性を抑えることができれば他の方法でもよい。例えば、失活領域２１０を形成する加熱温度は、電解質膜１２の材料や厚さによって適切な温度が変化するものの、実験で用いた電解質膜１２では、４００℃以上９００℃未満が好ましかった。即ち、本発明の第１所定温度は、電解質膜の材質や厚さによって変化するものの、本実施形態での電解質膜１２においては、４００℃でなくてもよく、例えば、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃であってもよい。比較例として、実験では３８３℃でもプロトン伝導性が確認された。また、失活領域をレーザーによる加熱で形成したものを説明したが、失活領域はレーザーによる加熱以外の方法で形成してもよい。

また、電解質膜を加熱すると、電解質膜１２の炭化に伴い厚さが若干薄くなるため、触媒層１６または保護層１４と電解質膜１２との間の隙間ができるだけ発生しないように構成するためには、導電化可能な温度（約９００℃以上）の中で低温な温度が好ましい。

図６に、加熱温度による電解質膜１２の水素イオン伝導性の変化特性を確認するための実験装置を模式的に示す。図６に示すように、実験装置は、第１貫通孔２３１ａを有する第１ステンレス板２３１と、第２貫通孔２３２ａを有する第２ステンレス板２３２と、で電解質膜１２を挟み込むように配置したものである。第１ステンレス板２３１と電解質膜１２との間には、第１シール部材２３１ｂが設けられ、第１シール部材２３１ｂで第１貫通孔２３１ａから電解質膜１２側に供給される水素が漏れることを防止している。

第２ステンレス板２３２と電解質膜１２との間には、第２シール部材２３２ｂが設けられ、第２シール部材２３２ｂで第２貫通孔２３２ａを介して排出される水素が電解質膜１２と第２ステンレス板２３２との間から漏れることを防止している。

第１ステンレス板２３１と電解質膜１２とはプロトン伝導性を備える電極層２３３で電気的に接続されている。また、第２ステンレス板２３２と電解質膜１２とも、プロトン伝導性を備える電極層２３４で電気的に接続されている。

そして、第１ステンレス板２３１と第２ステンレス板２３２とは電気的に短絡されており、検査対象の電解質膜１２がプロトン伝導性を備えているのであれば、水素イオンが透過し、第１貫通孔２３１ａに接続された容器内の水素量が減少する。

図７に、図６の実験装置を用いて検査した各電解質膜１２の水素減少量を示す。実線は加熱処理することなくそのままの状態の電解質膜１２の水素減少量を示している。点線は、電解質膜１２を４００℃で焼成したもの、一点鎖線は６００℃で焼成したもの、二点鎖線は８００℃で焼成したものを示している。

図７から明らかなように、加熱処理をしていない電解質膜１２では、時間と共に水素が減少しているのに対し、他の電解質膜１２の焼成体では時間が経過しても水素が減少していないことが分かる。なお、図７では、点線、一点鎖線、二点鎖線は、ともに０ｃｃを示したものであり、説明の都合上、点線と二点鎖線とを上下にずらしている。

１０ 燃料電池
１２ 電解質膜
１４ 保護層
１６ 触媒層
１７ 分割溝
１８ ガス拡散層
２０ 上板
２２ 下板
２４ シール
２６ 黒鉛シート
２８ 導線
３０ インターコネクト部
２１０ 失活領域

Claims (5)

1. プロトン伝導性を有する電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の面側に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第１触媒層と、
   前記電解質膜の他方の面側に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第２触媒層と、
   を有する複数の単位セルを備えた燃料電池であって、
   互いに隣接する前記単位セルの前記電解質膜は連続しており且つ１つの前記電解質膜で構成され、
   前記電解質膜は、
   前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する他の前記単位セルの前記第２触媒層と、を電気的に接続するインターコネクト部と、
   前記インターコネクト部に隣接する前記電解質膜の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域と、
   を備えていることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記単位セルの前記第２触媒層とが、前記電解質膜を挟んで重なり合う「重なり領域」を備え、
   前記失活領域は、少なくとも前記重なり領域の全体に形成されていることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記失活領域は、
   前記重なり領域に加えて、
   前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記第２触媒層とが、前記電解質膜を挟んで重なり合っていない領域であって、
   前記単位セル自身の前記第２触媒層から前記電解質膜が露出した領域に設けられ、
   且つ、同一の前記単位セル内における前記第１触媒層と前記第２触媒層との間には設けられていないことを特徴とする燃料電池。
4. プロトン伝導性を有する電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の面に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第１触媒層と、
   前記電解質膜の他方の面に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第２触媒層と、
   を有する複数の単位セルを備えた燃料電池の製造方法であって、
   互いに隣接する前記単位セルの前記電解質膜は連続しており且つ１つの前記電解質膜で構成され、
   前記電解質膜は、
   前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記単位セルの前記第２触媒層と、を電気的に接続するインターコネクト部と、
   前記インターコネクト部に隣接する前記電解質膜の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域と、
   を備え、
   前記燃料電池の製造方法は、
   前記電解質膜に、プロトン伝導性を失活させた失活領域を形成する失活工程と、
   前記失活領域に前記インターコネクト部を形成するＩＣ形成工程と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記電解質膜は、スルホン酸基含有の炭化水素系膜からなり、
   前記失活工程は、前記失活領域に加えて前記インターコネクト部を形成する予定のＩＣ形成予定領域を第１所定温度で加熱処理してスルホン酸基を除去することで失活させて前記失活領域を形成し、
   前記ＩＣ形成工程は、前記ＩＣ形成予定領域を前記第１所定温度よりも高温の第２所定温度で前記電解質膜を炭化改質して前記インターコネクト部を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。

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